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切削加工系统工程在汽车制造中的应用
作者: 来源:本站原创 文章点击数:

为什麽说汽车制造业中,切削加工的重要性和复杂性极为突出?这是因为,大量的多种类零件需要进行精密、高速、高效加工;汽车生产自身大批量、严格按照节拍进行流水生产的特点;与此同时,激烈的巿场竞争也进一步加剧了对汽车生产柔性化和切削加工制造成本控制的要求。

近年来,可以看到汽车制造过程中的切削加工发生了很大变化并获得全新发展,出现了不少新工艺、新方法。

比如,曲轴加工采用车–车拉、外铣或内铣;连杆加工采用涨断工艺;凸轮轴加工采用装配式凸轮轴然後直接磨削成形的工艺方法;气缸体主轴承孔、连杆大头孔加工采用绞珩工艺等。生产过程中,大量采用数控加工中心机床组建的柔性加工綫,切削速度和进给量等切削参数普遍大幅提高,制造过程加速向着高速、高效加工的方向发展,创新的刀具结构、全新的刀具材料和新型的表面涂层被不断采用,等等。而且,对生产过程和加工质量的稳定性要求也更为严苛,对制造成本的控制亦趋紧。

所有这一切,都对切削加工提出了新挑战。

切削加工是一个系统问题
在高精密、高速、高效率的大规模汽车制造切削加工生产中,有时会发生种种异常情况,包括工件加工尺寸超差;位置度不符合要求;加工的表面形貌不理想;刀具崩刃、折断、异常磨损、刀具寿命短和刀具成本居高不下,等等。而这些问题需要在尽可能短的时间内获得解决,否则将给汽车制造的正常生产带来很大影响。

1.只是因为刀具出了问题?
实际工作中,不少人往往有一种习惯性思维,切削加工中一旦出现异常,就认为是刀具出了问题,大量的工作和解决措施也多围绕着刀具进行,其结果却是花了很多精力和时间,原因仍不甚明了,问题得不到彻底解决。

其实,切削加工特别是高效加工是一个系统问题,刀具只是这个系统中的一个环节。在切削加工中,所加工的工件毛坯、设备、刀具、夹具、切削液等共同组成了一个系统,切削加工的问题是这个系统中多个因素和变量综合作用之下的产物。

而且,对於不少企业而言,这个“系统”可能并不仅仅表现为一道工序或一台设备,而是整条生产綫;而刀具自身又是其中的一个子系统,包括刀具结构、几何形状、刀体材料、切削刃材料、刀具涂层等等多个方面。

上述所有的因素综合在一起,影响和决定着产品的尺寸、形状、位置、表面形貌、加工精度等,而整个系统中的任何一个因素发生变化,都会对系统的输出即加工质量、加工效率和加工成本发生影响。

举个很好理解的例子,在过去,人们虽然已经感觉到切削液对切削加工有作用,但往往也只是将其作为生产加工中的一般辅助材料来处理。但现在的生产实践却告诉人们,作为整个切削加工系统之一环的切削液已经重要到如此的程度,以至於如果切削液选择不合适或是管理不当甚至会造成生产无法正常进行,刀具不能正常使用。

又比如,铣削加工出来的工件表面质量达不到要求,更换多家刀具供应商的不同改进的铣刀也仍是达不到要求,最终更换机床主轴後,所加工的工件质量达到了要求,发现问题的真正根源并不在刀具,而是系统中的其它因素发生了问题。

2.广义上的“切削加工系统”
机床主轴的跳动,加工过程中的振动,刀具的动平衡,切削液的品种、浓度、压力和流量,刀具的预调整,以及切削参数的匹配等等,都会对切削加工的结果产生重大影响,而影响切削加工结果的原因远远不止这些。

为了提高切削加工效率,近年来高效切削获得了广泛应用,可是需要注意的是,对於汽车制造业的切削加工来说,真正的高效加工追求的不仅仅是单台机床的高切削效率,还要求实现整条生产綫的高切削效率,也即追求整个系统的高效率。这就需要合理地安排工艺、合适的机床设备和高效刀具,科学的管理和完善的过程控制体系以及快速、可靠的刀具供应物流体系等。

站在这个高度看,切削加工这个系统就更大,它不仅是被加工工件和加工装置、加工介质组成的物质系统;还包括刀具的寿命控制、刃磨、调整、采购供应管理、成本核算和控制等组成的管理系统;切削参数设定和调刀与修磨规范等组成的技术系统;切削数据库和刀具管理软件等组成的信息系统等等。

切削加工系统的构成
1.组成要素
包括机床、夹具、刀具、切削液、被加工工件、操作者,等等。

2.各个子系统
包括工艺系统、切削摩擦学系统、刀具系统、机床系统、夹具系统、刀具管理系统、切削质量控制系统,等等。

3.输入
包括待加工的工件毛坯,各项加工要求等。这 要注意的是,工件毛坯是系统的输入,可是它进入切削加工系统後,又成为切削加工系统中的一个部分,对切削加工系统中的其他变量和切削加工系统输出产生影响。

4.输出
即加工完成的产品,实现的加工结果,如加工质量、加工效率、加工成本等。

5.反馈和控制
测量和控制形成了输出对输入的影响(如图1),这是一种反馈。反馈有正反馈也有负反馈,输出对输入响应的误差,通过合适的反馈可得到及时纠正,使输出向输入要求的中心值收敛,否则输出就会愈加偏离目标值,出现成批的加工不合格品。

图1 切削加工系统的反馈与控制
 

切削加工系统工程的发展和应用
切削加工既然是个系统问题,就只能用系统的观点和方法来分析和处理。系统工程是近三十年发展起来的一门新兴的综合学科,重在运用系统观点和系统方法处理复杂的工程、科研和生产任务。鉴於系统工程的理论和方法本身也处在研究和发展过程中,而将其应用於切削加工领域,就更有很多问题要回答和解决,需要发展新的理论和新方法,进行不断的探索和努力。

切削加工系统工程归属於系统工程这门大的学科,但又是针对切削加工过程应用所形成的一个专门分支学科,因而很多方法将是切削加工领域所特有的。为使切削加工真正成为高效加工,不仅要进行理论探讨,更要立足切削加工要达到的目的、实现大批量且柔性化的高效加工这个角度来进行分析和应用,因此,观念和方法的创新必不可少。

不论是从事工艺规划和设计、现场技术支持和生产管理,抑或从事刀具设计、刀具制造、刀具销售、刀具应用,还是分析解决与刀具有关的切削加工问题,都必须从系统的观点出发予以分析和解决。这要求我们具备切削加工系统工程的知识,了解该系统中的各个子系统,应用系统工程的方法获得切削加工问题的整体解决方案。



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